【導(dǎo)讀】電子工程師在設(shè)計電路產(chǎn)品的時候，最頭疼的就是電磁兼容測試這一關(guān)了，搞得好一次性通過，搞不好的可能就要重新來過。所以能夠建立一個低電磁干擾原型是很必須的，這樣就可以少了很多麻煩事，同時也能提高電子產(chǎn)品的通過率，做到高效，低成本。那么如何構(gòu)建低電磁干擾原型？有哪些關(guān)鍵步驟呢？
本文探討在微波暗室一致性測試之前構(gòu)建低電磁干擾(EMI)原型的關(guān)鍵步驟，包括設(shè)計低輻射的電路以及預(yù)兼容檢測。預(yù)兼容檢測包括使用三維電磁場仿真軟件對印刷電路板(PCB)版圖模型進行仿真及EMI分析，再使用頻譜分析儀(SA)對原型PCB進行近場電磁掃描。最后，執(zhí)行微波暗室測試驗證設(shè)計。
最低EMI電路設(shè)計
要確保低輻射發(fā)射(RE)，設(shè)計電路原理圖和PCB版圖時必須應(yīng)用最佳實踐經(jīng)驗，包括為供電回路、USB數(shù)據(jù)線、以太網(wǎng)等信號添加鐵氧體磁珠以過濾EMI。此外，供電回路上適當(dāng)放置充足數(shù)量的去耦合電容器可以最大限度地減少電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗，進而降低數(shù)字負載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險。同時，優(yōu)化開關(guān)電源的閉合回路補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以實現(xiàn)穩(wěn)定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并最大幅度地降低開關(guān)噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著抑制原型的EMI風(fēng)險。
高頻或快上升/下降沿信號的PCB走線應(yīng)參考連續(xù)回路(例如參考地平面)，以降EMI風(fēng)險。走線不能經(jīng)過任何分割平面和孔洞。如果信號需要通過過孔完成層間傳輸，緊鄰信號過孔位置應(yīng)放置至少一個接地過孔，作為信號電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒有適當(dāng)?shù)幕亓髀窂?，返回電流可能在PCB中隨意傳輸，成為潛在的EMI源。
出色的接地方案也是最大限度降低EMI的關(guān)鍵因素。所有PCB設(shè)計都必須避免接地回路，因為返回信號電流經(jīng)過時接地回路將形成輻射發(fā)射機。設(shè)計接地為寬參考面可以構(gòu)建出色的接地方案。不同電路組(例如射頻、模擬和數(shù)字電路)的地平面應(yīng)當(dāng)物理隔離，并通過鐵氧體磁珠建立電路連接，以幫助防止高頻噪聲在電路組之間傳播。
完成PCB版圖設(shè)計后應(yīng)執(zhí)行仿真進行EMI分析，以便在制造前確保PCB具有較低的輻射發(fā)射風(fēng)險。省略EMI仿真可能無法保證PCB的EMI性能，會導(dǎo)致重新設(shè)計。如果EMI仿真結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計人員即可開始PCB制造，然后使用頻譜分析儀對原型PCB執(zhí)行近場電磁掃描。EMI仿真和近場電磁掃描等預(yù)兼容檢測可以增加設(shè)計人員的信心，確信原型具有較低的EMI。完成預(yù)兼容檢測后，被測器件即可執(zhí)行實際微波暗室EMI一致性測試。
仿真EMI分析
完成PCB版圖設(shè)計后，將版圖文件導(dǎo)入EMPro 2013.07 執(zhí)行3D EMI仿真。選擇差分信號進行有限元法(FEM)三維電磁場仿真。三維電磁場仿真是設(shè)置電磁邊界條件和模型網(wǎng)格尺寸并求解麥克斯韋方程的過程。為確保仿真結(jié)果精度，邊界尺寸應(yīng)設(shè)為 PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應(yīng)設(shè)為PCB寬度的1/5以下。運行三維電磁場的計算機需要配置16G以上的內(nèi)存和100G以上的存儲容量，以確保分析順利進行。
設(shè)置遠場傳感器捕獲發(fā)射電磁場，并利用EMPro的EMI仿真模版計算遠場發(fā)射功率，然后設(shè)置10m距離的電場探頭，繪制頻域響應(yīng)圖。再執(zhí)行時域有限差分法(FDTD)模式的三維電磁場仿真，并與FEM模式的仿真結(jié)果進行對比。
參見30MHz～1GHz頻率的電場強度仿真圖(圖1)(電場強度單位dBμV，頻率單位GHz)，輻射功率電平(藍色曲線為FEM模式仿真，紅色曲線為FDTD模式仿真)低于約45dBμV的FCC最大閾值(綠色虛線)。
圖1：仿真EMI圖。
近場電磁測量
制成并組裝原型PCB后，使用頻譜分析儀對原型進行近場電磁掃描。連接頻譜分析儀的單匝線圈捕獲原型發(fā)射的近區(qū)電磁場。圖2是30MHz～1GHz頻率范圍的頻域信號(電磁場功率電平單位dB，頻率單位Hz)。
圖2：電磁掃描測量圖。
400MHz附近時出現(xiàn)最大功率強度(-66.4dBm)的尖峰。作為近區(qū)傳感器的線圈在距離被測器件3英寸的范圍內(nèi)移動。30kHz的頻譜分析儀分辨率帶寬可以實現(xiàn)低本底噪聲(-80dBm)測量，因此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見。要增強原型通過微波暗室遠場(3m和10m)EMI一致性測試的信心，近區(qū)功率峰值應(yīng)低于-65dBm。
EMI一致性測試
圖3為原型在微波暗室的3m遠場EMI一致性測試結(jié)果。紅線顯示的是CISPR 11 A類最大輻射發(fā)射功率電平：30MHz～1GHz頻率范圍內(nèi)低于56dBμV。紅線下方的棕色曲線表示是德科技(原安捷倫)EMC指南中規(guī)定的保護頻段。輻射波的垂直和水平分量分別由藍色和綠色曲線表示。400MHz和560MHz頻率時出現(xiàn)兩個分別為38dBμV 和37 dBμV的功率峰值，均低于最大閾值。
圖3：3m輻射發(fā)射測量結(jié)果。
總結(jié)
低EMI電路設(shè)計和預(yù)兼容檢測(例如三維EMI仿真和近場電磁掃描)十分重要，可以避免不必要的PCB重新制造，節(jié)省開發(fā)成本和時間，并且能夠縮短微波暗室EMI一致性測試時間，確保電子器件按時甚至提前投放市場。
